唐穎輝，陳 垚，2，袁紹春，2，朱嘉運(yùn)，劉 臻，2

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)環(huán)境水利工程重慶市工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074）

生物滯留技術(shù)因其具良好的徑流污染控制，徑流體積和峰值流量削減能力，已廣泛用于我國(guó)海綿城市建設(shè)［1，2］。如何提高生物滯留系統(tǒng)的控污能力仍是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)［2，3］。生物滯留系統(tǒng)中的介質(zhì)土是影響徑流污染控制和徑流體積削減效果的關(guān)鍵因素［4，5］，其不僅可用削減峰值流量，延遲峰現(xiàn)時(shí)間，還可通過(guò)物理、化學(xué)和生物過(guò)程去除污染物。而天然土壤由于滲透性較差，難以滿足徑流削減要求，通常需要添加一定比例的改良劑（如細(xì)砂、煤渣、粉煤灰、活性炭等高孔隙結(jié)構(gòu)或強(qiáng)吸附性能的材質(zhì)）進(jìn)行改良，以形成符合水力滲透要求并能提升除污能力的介質(zhì)土。雖然國(guó)外針對(duì)生物滯留技術(shù)出臺(tái)了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和介質(zhì)土選配標(biāo)準(zhǔn)，但國(guó)內(nèi)并未形成成熟的技術(shù)規(guī)范，缺乏介質(zhì)土級(jí)配設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)的有效方法。傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)常采用天然砂壤土、壤砂土或壤土與細(xì)砂進(jìn)行混合形成傳統(tǒng)生物滯留介質(zhì)土（BSM）［6，7］。這些BSM 滲透性能較好，成本也相對(duì)較低，但對(duì)污染物的去除能力較差。在黏粒比例較高的BSM 中，可通過(guò)黏土對(duì)污染物的吸附作用改善介質(zhì)土的除污效果，但容易發(fā)生土壤團(tuán)聚現(xiàn)象而導(dǎo)致滲透性急劇下降，最終造成介質(zhì)土堵塞［8］。相關(guān)研究者在天然土壤中摻砂的同時(shí)添加一定比例的木屑、堆肥、草炭土等有機(jī)質(zhì)，以維持介質(zhì)土的保水性和滲透性能［9，10］，但要求有機(jī)質(zhì)含量不超過(guò)5%［11］。另外由于降雨徑流污染的不斷加劇，要求生物滯留系統(tǒng)具備較強(qiáng)的除污能力。而生物滯留系統(tǒng)對(duì)氮磷污染物的去除效果不穩(wěn)定，尤其是對(duì)NO3--N和TN的去除呈現(xiàn)出高度變化，去除率在-254%～90%范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)［12，13］。He等［14］分別將火山巖、蛭石和粉煤灰作為改良劑，以10%質(zhì)量比與BSM 進(jìn)行混合，形成的改良BSM 對(duì)氮磷污染物的去除效果均顯著高于對(duì)照組。其他相關(guān)研究也證實(shí)［15-17］，在BSM 中添加合適的改良劑可提高生物滯留系統(tǒng)對(duì)徑流污染物的去除能力。

目前現(xiàn)有的生物滯留系統(tǒng)介質(zhì)土改良研究主要關(guān)注于單一的改良目標(biāo)，且多數(shù)集中在除污能力的提升上，缺乏對(duì)改良介質(zhì)土水力滲透性能、污染物去除能力和經(jīng)濟(jì)成本等因素的綜合評(píng)價(jià)［18］。因此，在生物滯留系統(tǒng)介質(zhì)土級(jí)配時(shí)，應(yīng)根據(jù)改良劑經(jīng)濟(jì)成本和固廢資源化利用原則，并結(jié)合介質(zhì)土水力滲透性能和除污能力進(jìn)行綜合篩選。此外，“土薄坡陡”的山地城市存在著降雨歷時(shí)短、雨水流速大且SS 含量高等特點(diǎn)［19］，這要求介質(zhì)土具有較快的滲透性能，并能高效去除徑流污染物；雖然相關(guān)研究針對(duì)山地城市的特殊徑流特性開展了介質(zhì)土級(jí)配研究［20，21］，但這些研究主要是解決介質(zhì)土對(duì)徑流污染的適應(yīng)問(wèn)題，并未考慮山地城市的本地土壤特征與級(jí)配。考慮到不同地區(qū)土壤類型的差異性，介質(zhì)土的級(jí)配也存在一定差異［22］，無(wú)法直接照搬相關(guān)研究結(jié)論。同時(shí)，基于山地城市土壤類型的生物滯留系統(tǒng)介質(zhì)土改良的相關(guān)研究報(bào)道較少。因此，山地城市特殊的地理特征需要針對(duì)本地土壤特征進(jìn)一步優(yōu)化介質(zhì)土級(jí)配方案，篩選出適合重慶城區(qū)生物滯留設(shè)施的改良介質(zhì)土。本文結(jié)合重慶主城區(qū)土壤本底調(diào)查結(jié)果，根據(jù)重慶市地理特征和市政道路徑流污染特性，添加不同改良劑配置多種介質(zhì)土，通過(guò)生物滯留柱模擬實(shí)驗(yàn)考察不同改良介質(zhì)土和傳統(tǒng)介質(zhì)土下生物滯留系統(tǒng)水力性能和除污特性，并通過(guò)投影尋蹤法對(duì)介質(zhì)土的滲透性能、污染物去除能力和經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)以篩選出最優(yōu)性能的改良介質(zhì)土，以期為規(guī)范填料層介質(zhì)土級(jí)配方式，提高重慶城區(qū)生物滯留設(shè)施建設(shè)水平提供科學(xué)依據(jù)，也為相似地區(qū)生物滯留設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑為150 mm 的PVC 濾柱（畜水層采用亞克力材質(zhì)）模擬生物滯留系統(tǒng)（圖1），自上而下分別為蓄水層（150 mm）、種植土層（300 mm）、淹沒層（200 mm）和排水層（150 mm）。其中。種植層裝填介質(zhì)土，淹沒層裝填石英砂（粒徑0.25～0.5 mm）和3%（質(zhì)量比）的木屑（作為反硝化碳源），排水層裝填粒徑3～10 mm 的瓜米石（防止堵塞出口）。將各填料分層裝入相應(yīng)濾料層后壓實(shí)至相關(guān)高度，并在各濾料層間放置透水土工布，以防止濾料發(fā)生遷移流失而堵塞排水管。在實(shí)驗(yàn)開始前，先用清水對(duì)濾柱進(jìn)行一段時(shí)間的澆灌，充分淋洗出填料表面本底養(yǎng)分并對(duì)填料進(jìn)行水力壓實(shí)，以避免本底養(yǎng)分淋洗和填料壓實(shí)不充分對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。同時(shí)，由于植物對(duì)介質(zhì)土水力性能和除污特性具有顯著影響，導(dǎo)致難以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判定不同介質(zhì)土下系統(tǒng)運(yùn)行性能的差異是介質(zhì)土性質(zhì)所致。鑒于此，本實(shí)驗(yàn)中濾柱暫不栽種植物。

圖1 生物滯留裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of bioretention columns

通過(guò)對(duì)重慶主城區(qū)土壤特性本底的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，城區(qū)的天然種植土主要為壤砂土和砂土兩大類，且兩類土壤的理化指標(biāo)和水力滲透性能均不能滿足國(guó)內(nèi)外的相關(guān)設(shè)計(jì)指南（標(biāo)準(zhǔn)）［11，23］。為此，結(jié)合重慶市主城區(qū)的土壤條件、當(dāng)?shù)卦系膩?lái)源和價(jià)格情況，選用天然土壤（壤砂土、砂土）、細(xì)沙、蛭石、生物炭、珍珠巖等填料配置不同的介質(zhì)土。各填料的粒徑和養(yǎng)分含量如表1所示。

表1 填料理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of the bioretention medium

首先將壤砂土和砂土兩類天然土壤分別以1∶9 和2∶8（質(zhì)量比）與細(xì)砂進(jìn)行混合，配置成壤砂土型傳統(tǒng)生物滯留介質(zhì)土（BSM1）和砂土型傳統(tǒng)生物滯留介質(zhì)土（BSM2），并作為研究對(duì)照組。在此基礎(chǔ)上，選用蛭石（Ver.）、生物炭（BC）和珍珠巖（Per.）等改良劑在滿足目標(biāo)介質(zhì)土級(jí)配（粒徑分布與級(jí)配比例詳見文獻(xiàn)［11］）條件下，按一定質(zhì)量比與BSM 進(jìn)行混合形成不同改良介質(zhì)土（表2），以研究不同改良介質(zhì)土對(duì)生物滯留系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。

表2 各介質(zhì)土中填料的干重質(zhì)量比Tab.2 Mass ratio of medium in each bioretention soil media

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用相關(guān)化學(xué)試劑和雨水塘底泥配置成目標(biāo)污染物濃度的模擬徑流雨水（表3），并根據(jù)75%年徑流總量控制率要求按7%匯水面積確定場(chǎng)次降雨徑流量為4.1 L，具體計(jì)算過(guò)程詳見文獻(xiàn)［24］。濾柱清水澆灌期結(jié)束后，所有濾柱系統(tǒng)開始注入模擬徑流雨水，每周處理2 場(chǎng)降雨事件（對(duì)應(yīng)降雨量19.1 mm），相鄰兩次場(chǎng)次降雨間隔時(shí)間為3 d，進(jìn)水過(guò)程中攪拌水箱處于連續(xù)攪拌狀態(tài)直至進(jìn)水結(jié)束，以保持徑流模擬雨水中懸浮顆粒始終處于懸浮狀態(tài)。

表3 模擬徑流雨水水質(zhì)Tab.3 Semi-synthetic stormwater quality

各濾柱介質(zhì)土的水力性能采用滲透系數(shù)進(jìn)行表征，滲透系數(shù)越低，水力性能越差，反之則越好。同時(shí)，各濾柱按固定時(shí)間采集出水水樣，具體采集方法詳見文獻(xiàn)［24］，并采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)水樣中的相關(guān)污染物指標(biāo)。生物滯留系統(tǒng)對(duì)污染物的去除率采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：RL為污染物去除率，%；Cin和Cout分別為進(jìn)水和初始污染物濃度值，mg/L；Vin和Vout分別為進(jìn)水量和出水量，L。

同時(shí)，為避免平行樣檢測(cè)數(shù)據(jù)受極值影響而產(chǎn)生偏差，采用中位數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.3 介質(zhì)土性能綜合評(píng)價(jià)

目前，通常采用層次分析法進(jìn)行多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，但該方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果往往存在極化或難以反映高維度數(shù)據(jù)樣本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等問(wèn)題，在一定程度上降低了結(jié)果的準(zhǔn)確性。投影尋蹤法（Projection pursuit，PP）是一種具有數(shù)據(jù)樣本高維處理與分析能力的多目標(biāo)評(píng)價(jià)方法，即通過(guò)對(duì)低維空間的分析來(lái)描述高維數(shù)據(jù)信息，能夠解決一定程度上的非線性、非正態(tài)問(wèn)題，從而呈現(xiàn)出更加直觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)分析［25，26］。同時(shí)，已有相關(guān)研究者基于多個(gè)水質(zhì)樣本和水質(zhì)指標(biāo)，利用PP構(gòu)建了水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型，并證實(shí)了該方法的可靠性與準(zhǔn)確性［26，27］。由于本研究同樣屬于一個(gè)基于多指標(biāo)的綜合性能評(píng)價(jià)問(wèn)題，因此可利用PP篩選出水力性能、除污效果和經(jīng)濟(jì)性均理想的介質(zhì)土配置方案。在評(píng)價(jià)時(shí)，①首先構(gòu)建效益型和成本型2個(gè)一級(jí)指標(biāo)，其中效益型指標(biāo)又劃分為NO3--N、NH3-N、TN、TP和COD去除率，以及滲透系數(shù)6個(gè)二級(jí)指標(biāo)，成本型指標(biāo)主要為填料單價(jià)，并對(duì)不同介質(zhì)土的二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，獲得各二級(jí)指標(biāo)的多維數(shù)據(jù)集｛x（i，j）｝；②利用構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)f（w）計(jì)算出x（i，j）的一維投影值z(mì)（i），并最大可能提?。鹸（i，j）｝中的變異信息；③利用優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)將投影函數(shù)f（w）在投影方向w的變化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)以｛w（j）｝為優(yōu)化變量的非線性優(yōu)化問(wèn)題，如下式所示：

式中：f（w）為投影指標(biāo)函數(shù)值z(mì)（i）；Sz為投影值z(mì)（i）的標(biāo)準(zhǔn)差；Rzy為z（i）與y（i）的相關(guān)系數(shù)。

求解上述函數(shù)時(shí)，在單位超球面上隨機(jī)抽取若干個(gè)初始投影方向，計(jì)算各指標(biāo)的z（i），并利用遺傳算法對(duì)z（i）進(jìn)行選大操作確定maxf（w）對(duì)應(yīng)的投影方向?yàn)樽顑?yōu)投影方向，即可獲得各指標(biāo)的權(quán)重ω（i）。在此基礎(chǔ)上可最終計(jì)算出各介質(zhì)土的綜合得分。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力性能

各濾柱處理場(chǎng)次降雨徑流后，水力性能呈現(xiàn)出不同的衰減規(guī)律，如圖2所示。由于進(jìn)水中的懸浮物在填料表面吸附、離子交換、范德華力等作用下［14］，易截留于介質(zhì)土的孔隙通道壁上，或在介質(zhì)土表面發(fā)生沉積作用并逐漸被壓實(shí)，同時(shí)進(jìn)水中有機(jī)物的存在還可促使填料表面形成生物膜，減小孔隙通道，最終導(dǎo)致所有濾柱系統(tǒng)隨運(yùn)行時(shí)間均出現(xiàn)不同程度的水力衰減或波動(dòng)現(xiàn)象?？傮w而言，砂土型介質(zhì)土（BSM2 及其改良組）的水力性能優(yōu)于壤砂土型介質(zhì)土（BSM1 及其改良組）。其中，BR5濾柱的水力滲透系數(shù)最穩(wěn)定，研究期內(nèi)穩(wěn)定在41～53 mm/h，BR6濾柱次之（35～45 mm/h），而BR1～BR4濾柱的水力性能隨運(yùn)行時(shí)間而逐漸降低。這主要是由于壤砂土型較砂土型介質(zhì)土，其黏土含量較高，易發(fā)生土壤團(tuán)聚現(xiàn)象而造成滲透系數(shù)的急劇下降［8］；同時(shí)，添加多孔性改良劑的壤砂土型介質(zhì)土由于黏土粒徑顯著大于多孔性改良劑的孔隙通道尺寸，在水流作用下黏土顆粒不斷發(fā)生遷移而包裹填料通道，導(dǎo)致介質(zhì)土孔隙不斷被堵塞［28，29］，并在水流的不斷壓實(shí)作用下堆積密度不斷降低，最終造成飽和導(dǎo)水率的下降［30］，從而表現(xiàn)為BBR1～BR4 濾柱滲透系數(shù)的持續(xù)下降。而砂土型介質(zhì)土具有較穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)，可保持較穩(wěn)定的水力性能。尤其是添加蛭石的砂土型介質(zhì)土（BSM2+8%Ver.），由于蛭石粒徑范圍窄且較均勻，添加至BSM2后可形成合理的級(jí)配、較大的孔隙率和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而使BR5 濾柱表現(xiàn)出穩(wěn)定的水力性能。但BR7 濾柱在實(shí)驗(yàn)后期突然出現(xiàn)水力性能陡降的現(xiàn)象，滲透系數(shù)從36 mm/h 持續(xù)陡降至10 mm/h，這可能是由于珍珠巖為輕質(zhì)填料，其密度遠(yuǎn)低于生物炭、蛭石、細(xì)砂等介質(zhì)，在水流的不斷沖擊作用下容易在介質(zhì)土中發(fā)生遷移堆積改變土壤空間形態(tài)，進(jìn)而降低介質(zhì)土孔隙率，最終造成介質(zhì)土的滲透系數(shù)下降［31］。因此，綜合考慮滲透系數(shù)以及水力性能穩(wěn)定性，介質(zhì)土BSM1+2%Ver.、BSM1、BSM2+8%Ver.、BSM2+8%BC和BSM2符合文獻(xiàn)中建議的滲透系數(shù)范圍（13～200 mm/h），可確保氮素的有效去除，并保證植物在介質(zhì)土中正常生長(zhǎng)對(duì)含水量的要求［17］。

圖2 不同介質(zhì)土的水力滲透性能變化規(guī)律Fig.2 Variation of hydraulic permeability of modified soil media

2.2 除污性能

生物滯留系統(tǒng)常用于削減降雨徑流中的固體顆粒（SS）、有機(jī)物及氮磷等污染物負(fù)荷。為探尋具有高滲透性能且良好控污能力的介質(zhì)土配置方案，本研究探究了裝填不同介質(zhì)土的生物滯留設(shè)施對(duì)SS、COD、TN、NH3-N、NO3--N和TP等污染物的去除效果，如圖3所示。

（1）出水濁度。由于出水SS 的測(cè)定值過(guò)低，檢測(cè)過(guò)程中誤差大，難以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。為此，采用出水濁度（NTU）表征介質(zhì)土對(duì)SS 的去除性能。所有濾柱系統(tǒng)均能有效去除徑流中的SS，出水濁度中位數(shù)均低于20 NTU［圖3（a）］。但不同介質(zhì)土對(duì)SS 的去除性能存在一定的差異，其中，BR2 濾柱出水濁度中位數(shù)達(dá)到了城市污水再生利用的相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（10 NTU）。研究證實(shí)［32］，生物滯留系統(tǒng)對(duì)徑流中SS 的去除主要包括填料吸附、沉淀和過(guò)濾等途徑。壤砂土型介質(zhì)土中，改良介質(zhì)土對(duì)SS 的去除性能略優(yōu)于BSM1，這是由于多孔性介質(zhì)土的表面吸附作用有所增強(qiáng)；但對(duì)于砂土型介質(zhì)土，改良劑的添加對(duì)介質(zhì)土的SS去除能力并未增強(qiáng)，反而略有減弱。這是由于改良劑添加后，反而易造成介質(zhì)土中的細(xì)骨料隨水流作用排出系統(tǒng)［33，34］。

圖3 各濾柱對(duì)污染物的去除效果Fig.3 Pollutant removal efficiency of bioretention columns

（2）化學(xué)需氧量（COD）。由圖3（b）可知，各濾柱對(duì)COD 的去除率中位數(shù)在52.3%～72.8%范圍內(nèi)。但總體上壤砂土型介質(zhì)土對(duì)COD 的去除率高于砂土型介質(zhì)土，這可能是由于前者滲透系數(shù)低于后者，更利于徑流中的顆粒性有機(jī)物被截留；同時(shí)，滲透系數(shù)越低，水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，更利于微生物對(duì)有機(jī)物的降解作用。研究結(jié)果表明，BSM1介質(zhì)土對(duì)COD 的去除率最高，可達(dá)72.8%，相較于添加改良劑的BR1～BR3 濾柱反而要高。分析認(rèn)為，BSM1 介質(zhì)土自身的水力滲透性能和填料介質(zhì)特性（如含有高吸附能力的黏土）已能滿足有機(jī)物的過(guò)濾、吸附和微生物降解過(guò)程，而添加改良劑后反而因本底有機(jī)質(zhì)的淋洗現(xiàn)象增加了有機(jī)物含量。對(duì)于砂土型介質(zhì)土而言，改良劑的添加可在一定程度上通過(guò)填料的吸附能力提高其對(duì)有機(jī)物的去除能力，如添加蛭石和生物炭的砂土型介質(zhì)土對(duì)COD 的去除率可達(dá)65%，高于BSM2 的55%。但以未改性的珍珠巖作為砂土型介質(zhì)土改良劑時(shí)，雖然該介質(zhì)具較強(qiáng)的吸附性，但其表面因硅醇基、硅醚基等基團(tuán)的覆蓋，對(duì)有機(jī)物的黏合力較低［35］，從而表現(xiàn)出BR7濾柱對(duì)COD的去除率反而低于以BSM2為介質(zhì)土的BR8濾柱。

（3）氨氮（NH3-N）。各濾柱對(duì)NH3-N 的去除效果較好，去除率中位數(shù)在78.7%～85.1%范圍內(nèi)［圖3（c）］。這是由于NH3-N 帶正電荷，容易被生物滯留系統(tǒng)中帶負(fù)電荷的土壤顆粒所吸附［36］。但總體來(lái)看，壤砂土型介質(zhì)土因含有較強(qiáng)吸附能力的黏土而使其對(duì)NH3-N 的去除效果略優(yōu)于砂土型介質(zhì)土，平均去除率分別為84.5%和81.3%。研究結(jié)果顯示，以蛭石作為改良劑時(shí)，較其他相同類型的介質(zhì)土具有更佳的NH3-N 去除能力。分析認(rèn)為，蛭石不僅具有較強(qiáng)的吸附性，而且還具有良好的陽(yáng)離子交換特性，有助于介質(zhì)土通過(guò)吸附和離子交換去除NH3-N。同時(shí)，其較高的孔隙結(jié)構(gòu)有助于改善介質(zhì)土的孔隙率，維持良好的好氧狀態(tài)，進(jìn)而促進(jìn)微生物的硝化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)NH3-N 的去除。

（4）硝氮（NO3--N）。各濾柱對(duì)NO3--N 的去除可維持在較高的水平，去除率中位數(shù)在79.7%～90.5%范圍內(nèi)［圖3（d）］。這得益于淹沒區(qū)的設(shè)置營(yíng)造了反硝化環(huán)境，同時(shí)木屑的添加為反硝化提供了充足的碳源，從而可實(shí)現(xiàn)較高的去除率?？傮w而言，壤砂土型改良介質(zhì)土對(duì)NO3--N 的去除率中位數(shù)高于同類型砂土型改良介質(zhì)土，這是因?yàn)槿郎巴林休^高含量的黏土顆粒可有效減少NO3--N 的淋溶［31］。同時(shí)，在BSM1 和BSM2 介質(zhì)土中添加生物炭進(jìn)行改良時(shí)，生物滯留系統(tǒng)對(duì)NO3--N 的去除率最高，分別為90.5%和87.2%。研究證實(shí)生物炭可通過(guò)表面醌基的固態(tài)電子穿梭體功能介導(dǎo)微生物胞外電子發(fā)生轉(zhuǎn)移作為電子供體參與反硝化還原反應(yīng)［37，38］，從而增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)NO3--N的去除。

（5）總氮（TN）。所有濾柱均能有效去除TN，且無(wú)顯著差異，去除率中位數(shù)可達(dá)80%以上，為81.6%～87.9%，如圖3（e）所示。研究結(jié)果表明，蛭石改良介質(zhì)土較其他同類型介質(zhì)土具有更高的TN 去除率，分別為87.9%和82.7%。分析認(rèn)為，生物滯留系統(tǒng)對(duì)TN 的去除同時(shí)受NH3-N 和NO3--N 的去除影響［39，40］，且反硝化是限制生物滯留系統(tǒng)對(duì)TN 去除的主要因素［41］，雖然前述證實(shí)生物炭可促進(jìn)反硝化作用，但其氮本底值為其他填料介質(zhì)的數(shù)十倍（表1），淋溶后會(huì)增加水中的TN 含量，在一定程度上降低系統(tǒng)的除氮率。因此由于蛭石改良介質(zhì)土對(duì)NH3-N和NO3--N 的去除高于或僅次于同類別的生物炭改良介質(zhì)土，最終表現(xiàn)為BR1和BR5較強(qiáng)的除氮效能。

（6）總磷（TP）。所有濾柱對(duì)TP 的去除效果均維持在很高的水平，去除率中位數(shù)在92.9%～94.8%［圖3（f）］。生物滯留系統(tǒng)對(duì)磷的去除主要通過(guò)填料吸附、化學(xué)沉淀和過(guò)濾作用等途徑實(shí)現(xiàn)，其中顆粒態(tài)磷可附著于SS 上而隨介質(zhì)土對(duì)SS 的截留作用得以去除，而溶解態(tài)磷可通過(guò)填料吸附作用或與雨水逕流中的鐵、鋁等離子發(fā)生化學(xué)沉淀而被有效去除。本研究中，所有濾柱的介質(zhì)土均含有高吸附能力的填料介質(zhì)，從而表現(xiàn)出較高的TP去除率，且相較于TN的去除率更穩(wěn)定，這與Palmer等人的研究結(jié)論相似［42］。

2.3 介質(zhì)土綜合性能評(píng)價(jià)

研究采用效益型指標(biāo)（NO3--N、NH3-N、TN、TP 和COD 去除率，以及滲透系數(shù)）和成本型指標(biāo)（填料單價(jià)）對(duì)各濾柱介質(zhì)土綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，滲透系數(shù)采用實(shí)驗(yàn)后期的測(cè)定結(jié)果，而污染物去除率則采用去除率中位數(shù)進(jìn)行計(jì)算。為消除各二級(jí)指標(biāo)量綱和數(shù)量級(jí)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，采用極差歸一化法對(duì)各指標(biāo)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。其中，污染物去除率和滲透系數(shù)越高，歸一化值越接近1，填料單價(jià)則相反。各介質(zhì)土經(jīng)歸一化后，利用PP 法對(duì)各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行求解，最終可通過(guò)加權(quán)求和得到8 種介質(zhì)土的綜合性能得分（表4）。綜合得分從高到低的介質(zhì)土依次為：BSM1+2%Ver.＞BSM1＞BSM1+2%BC＞BSM1+2%Per. ＞BSM2+8%Ver. ＞BSM2+8%BC＞BSM2＞BSM2+8%Per.。研究結(jié)果表明，壤砂土型介質(zhì)土綜合性能優(yōu)于砂土型，其中，添加生物炭和珍珠巖這類高比面積的多孔性改良劑反而降低了BSM1 的綜合性能，而蛭石由于其比表面積顯著低于生物炭和珍珠巖，在一定程度上緩減了BSM1 中黏土的團(tuán)聚效應(yīng)，進(jìn)而使改良介質(zhì)土（BSM1+2%Ver.）表現(xiàn)出最優(yōu)的綜合性能。砂土型介質(zhì)土（BSM2）由于其黏土含量極低，使其對(duì)污染物去除能力較弱，添加多孔性改良劑可提高介質(zhì)土的表面吸附能力，增強(qiáng)介質(zhì)土綜合性能。因此，對(duì)于原土為壤砂土?xí)r，可考慮采用低表面積的多孔隙介質(zhì)進(jìn)行改良，如添加細(xì)砂按1∶9質(zhì)量比配置成BSM1介質(zhì)土，或在此基礎(chǔ)上添加2%的蛭石改良劑配置成BSM1+2%Ver.介質(zhì)土（壤砂土∶細(xì)砂∶蛭石=4.9∶44.1∶1）。而當(dāng)原土為砂土?xí)r，建議以細(xì)砂和蛭石進(jìn)行綜合改良配置成BSM2+8%Ver.介質(zhì)土（砂土∶細(xì)砂∶蛭石=9.2∶36.8∶4）。

表4 介質(zhì)土綜合性能歸一化值及綜合得分Tab.4 Normalized value of comprehensive performance and ranking of soil media

3 結(jié) 論

（1）壤砂土和砂土經(jīng)不同填料介質(zhì)改良后，均可形成具有較高初始滲透系數(shù)的介質(zhì)土，但表現(xiàn)出不同的水力衰減規(guī)律?？傮w而言，砂土型介質(zhì)土的水力性能優(yōu)于壤砂土型。其中BSM2+8%Ver.介質(zhì)土的水力滲透系數(shù)最穩(wěn)定，研究期內(nèi)穩(wěn)定在41～53 mm/h，而BSM1+2%BC介質(zhì)土衰減最快。

（2）所有介質(zhì)土均可有效去除徑流中的SS，甚至部分濾柱出水可達(dá)回用水的濁度要求；對(duì)NH3-N、NO3--N、TN 和TP 的去除率中位數(shù)分別可達(dá)787%～85.1%、79.7%～90.5%、81.6%～87.9%和92.9%～94.8%。其中，壤砂土型介質(zhì)土對(duì)COD 和NH3-N 的去除能力優(yōu)于砂土型介質(zhì)，而添加生物炭介質(zhì)可顯著提高生物滯留設(shè)施對(duì)NO3--N的去除能力。

（3）介質(zhì)土綜合性能評(píng)價(jià)結(jié)果排序?yàn)椋築SM1+2%Ver.（0.60）＞BSM1（0.52）＞ BSM1+2%BC（0.41）＞BSM1+2%Per.（0.40）＞BSM2+8%Ver.（0.33）＞BSM2+8%BC（0.23）＞BSM2（0.15）＞BSM2+8%Per.（0.14）。當(dāng)原土為壤砂土?xí)r，介質(zhì)土組成及配比為壤砂土∶細(xì)砂=1∶9，或壤砂土∶細(xì)砂∶蛭石=4.9∶44.1∶1；而當(dāng)以砂土為原土?xí)r，介質(zhì)土組成及配比為砂土∶細(xì)砂∶蛭石=9.2∶36.8∶4。